Os humanos começaram a criar ligas há cerca de 5.000 anos, combinando cobre e estanho para produzir bronze. Desde então, o design das ligas avançou drasticamente, afirma Moneesh Upmanyu, professor de engenharia mecânica e industrial na Universidade Northeastern.

"Agora, é definitivamente uma ciência [e] menos uma arte, porque temos a tabela periódica e conhecemos as propriedades de todos esses elementos que estamos misturando", diz ele.

O Journal of Applied Physics selecionou recentemente o novo artigo de pesquisa de Upmanyu sobre design de ligas como Escolha do Editor.

O artigo apresenta um novo modelo computacional que oferece estratégias para o projeto de ligas de materiais reais em segundos. Comparado a experimentos laboratoriais tradicionais e abordagens baseadas em IA, o modelo oferece maior velocidade, eficiência de custos e precisão.

O trabalho foi conduzido em colaboração com Changjian Wang, um ex-aluno de pós-graduação da Northeastern.

Ferramentas computacionais anteriores — incluindo aquelas baseadas em aprendizado de máquina e inteligência artificial — muitas vezes falhavam em levar em conta um fator crítico, diz Upmanyu: materiais cristalinos da vida real, como metais e cerâmicas, contêm defeitos.

Na ciência dos materiais , defeitos são irregularidades ou imperfeições na estrutura atômica de um cristal. Embora possam soar como falhas, os defeitos são frequentemente introduzidos intencionalmente para melhorar propriedades como resistência, condutividade e resistência à corrosão.

O novo modelo leva em consideração uma classe importante de defeitos de material ( limites de grãos ) e a tendência dos solutos mistos de se reunirem — ou segregarem — em torno das imperfeições estruturais durante a formação da liga.

"Você lida com esses materiais defeituosos por padrão, e todas essas técnicas de projeto de liga ignoram isso", diz Upmanyu. "Eles simplesmente não conseguem levar isso em consideração porque é um sistema muito complexo, com todos esses defeitos presentes."

Um exemplo bem conhecido desse defeito material, estudado extensivamente ao longo do último século, diz Upmanyu, é a discordância. Ela ocorre quando um plano atômico inteiro está ausente na estrutura de um cristal. Apesar dessa imperfeição, as discordâncias permitem a deformação plástica de um material sem quebrá-lo, permitindo que o defeito se mova através da rede cristalina.

Quando ligas são formadas pela mistura com solutos, ou substâncias dissolvidas, as discordâncias atuam como locais preferenciais para os solutos. Os solutos se fixam aos filamentos de discordâncias como um enxame de abelhas, dificultando a movimentação das discordâncias. Ao projetar esses defeitos e comportamentos dos solutos em ligas, afirma Upmanyu, os humanos podem criar materiais mais resistentes e econômicos.

Sua pesquisa se concentra em outro defeito fundamental: os contornos de grãos. Eles ocorrem em materiais policristalinos — como o cobre — nas interfaces onde grãos de cristal com diferentes orientações se encontram. Ao contrário das discordâncias, esses defeitos ocorrem ao longo das superfícies do material.

Essa é uma área vasta para os solutos se ligarem, ele diz, o que afeta toda a estratégia de mistura quando as ligas estão sendo feitas, bem como suas propriedades mecânicas, elétricas e magnéticas.

Engenheiros de materiais frequentemente manipulam esses limites para controlar, por exemplo, a direção da condução elétrica, orientando os grãos nos cristais ao longo de uma direção.

"O movimento dos contornos de grãos com os solutos é completamente ignorado na atual teoria geral de ligas", diz Upmanyu.

Seu modelo examina como os solutos afetam esse movimento.

"Se eu observar ao microscópio a uma temperatura finita (temperatura absoluta diferente de zero que afeta o estado energético de um sistema), esses contornos de grãos e esses defeitos não são estáticos, eles estão dançando, estão se movendo", diz Upmanyu. "E exploramos essas flutuações dos contornos de grãos com soluto segregado a eles."

O modelo rastreia quanto e quando o soluto se segrega e como isso afeta o movimento dos limites dos grãos.

"O que é um primeiro passo para entender como as propriedades do material são modificadas por esses solutos nos contornos dos grãos", diz ele.

O artigo se concentra no aço, uma liga de ferro e carbono. No entanto, Upmanyu observa que o modelo se aplica amplamente — não apenas a metais, mas também a cerâmicas, como óxidos metálicos.

"Acreditamos que seja geral o suficiente porque se baseia em flutuações de interfaces e contornos de grãos. Todas essas interfaces flutuam em temperaturas finitas", diz ele. "Sempre há segregação de solutos. É universal."

Para refletir esse escopo mais amplo, os pesquisadores usam o termo "interface" em vez de "limite de grão" para incluir materiais não cristalinos .

O modelo simula realisticamente como os solutos interagem com os defeitos e entre si.

"Se eu tirar uma foto do que realmente simulamos e usá-la como entrada para extrair as propriedades da liga, será idêntico ao que você vê em um experimento", diz Upmanyu.

O modelo funciona com dois ou mais materiais de base e pode ser estendido para prever propriedades térmicas, elétricas e magnéticas das ligas resultantes .

Outra vantagem: ele fornece previsões precisas usando tempos de simulação muito curtos.

"Estamos analisando computacionalmente essa flutuação ao longo de nanossegundos", diz Upmanyu. "Estamos tirando uma breve fotografia de como essa coisa flutua e, com base nisso, chegando a um comportamento modificado."